Die molekulare Assemblierung und Evolution von Nematocysten
Final Report Abstract
Die Nesselkapseln (Nematocysten) der Cnidarier gehören zu den komplexesten sekretorischen Organellen im Tierreich. Sie dienen vorwiegend dem Beutefang und der Abwehr von Fressfeinden und stellen ein Alleinstellungsmerkmal dieser Tierklasse dar. In dem abgeschlossenen Projekt zur molekularen Assemblierung und Evolution von Nematocyten ist es uns gelungen, durch eine Proteomanalyse isolierter Nesselkapseln vom Süßwasserpolypen "Hydra" deren molekulare Zusammensetzung erstmals im Detail aufzuklären. Diese Befunde weisen auf eine spezialisierte extrazelluläre Matrix als Grundgerüst der Kapsel hin, bestehend aus einem komplexen Polymer von Minikollagenen und elastischen Proteinen. Als neue molekulare Komponenten konnten einerseits Moleküle identifiziert werden, die spezifisch am Aufbau der Schlauchstruktur beteiligt sind. Hierzu gehören das Minikollagen-15, das Nematogalectin und ein nichtsulfatisiertes Chondroitin. Zum anderen wurde ein neuartiges Elastomer, Cnidoin, eingehend biochemisch und biophysikalisch charakterisiert. Dieses der Spinnenseide ähnliche Protein ist wie die Minikollagene Bestandteil von Kapsel- und Schlauchstrukturen. Aufgrund seiner elastischen Eigenschaften, die durch Computersimulationen und Messungen am Kraftmikroskop bestimmt wurden, ist Cnidoin vermutlich für die Speicherung und Abgabe der kinetischen Energie bei der Nematocytenentladung verantwortlich. Die Analyse des Cnidoms der Seeanemone "Nematostella vectensis" zeigte eine gegenüber "Hydra" deutlich reduzierte Komplexität sowohl auf morphologischer wie auf molekularer Ebene. Die Evolution komplexer Nematocytentypen bei Medusozoen ist vor allem begleitet von einer dramatischen Expansion und Diversifikation der Minikollagenfamilie. Weiterführende Struktur/Funktionsanalysen an den cysteinreichen Enddomänen (CRDs) der Minikollagene lieferten entscheidende Befunde für deren unterschiedliche Polymerisationseffizienz in vitro und in vivo. Während die N-terminale CRD auch in reifen Kapseln nachweisbar ist, lässt sich für C-terminale CRD eine klare Restriktion auf Entwicklungsstadien feststellen. Dies deutet darauf hin, dass die Polymerisierung der Minikollagenmonomere über die C-CRD effizienter verläuft. Analysen der Molekulardynamik bestätigen das unterschiedliche Vernetzungspotential der CRDs. Vermutlich konnten erst auf der Grundlage dieser evolutiven Anpassung die unter hohem Innendruck (150bar) stehenden Nematocyten der Medusozoen entstehen.
Publications
- Evolution of complex structures: minicollagens shape the cnidarian nematocyst. Trends in Genetics, Vol. 24. 2008, Issue 9, pp. 431–438.
David C.N., Özbek S., et al.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2008.07.001) - Minicollagen-15, a novel minicollagen isolated from Hydra, forms tubule structures in nematocysts. Journal of Molecular Biology, Vol. 376. 2008, Issue 4, pp. 1008–1020.
Adamczyk P., Meier S., Gross T., Hobmayer B., Grzesiek S., Bächinger H.P., Holstein T.W., Özbek S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2007.10.090) - Cnidocyst structure and the biomechanics of discharge. Toxicon. 2009 Mar 13
Özbek S, Balasubramanian PG, Holstein TW
- A non-sulfated chondroitin stabilizes membrane tubulation in cnidarian organelles. Journal of Biological Chemistry, Vol. 285. 2010. Issue 33, pp. 25613-25623.
Adamczyk P., Zenkert C., Balasubramanian G.P., Yamada S., Murakoshi S., Sugahara K., Hwang H.S., Gojobori T., Holstein T.W., Özbek S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1074/jbc.M110.107904) - Nematogalectin, a nematocyst protein with GlyXY and galectin domains, demonstrates nematocyte-specific alternative splicing in Hydra. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Vol. 107. 2010, no. 43, pp. 18539–18544.
Hwang J.S., Takaku Y., Momose T., Adamczyk P., Özbek S., Ikeo K., Khalturin K., Hemmrich G., Bosch T.C., Holstein T.W., David C.N., Gojobori T.
(See online at https://dx.doi.org/10.1073/pnas.1003256107) - The cnidarian nematocyst: a miniature extracellular matrix within a secretory vesicle. Protoplasma, Vol. 248. 2011, Issue 4, pp 635-640.
Özbek S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/s00709-010-0219-4) - The Dynamic Genome of Hydra. Nature 2010 Mar 25;464(7288):592-6
Franke A, Augustin R, Fraune S, et al.
- Morphological and molecular analysis of the Nematostella vectensis cnidom. PLoS One, Vol. 6. 2011, Issue 7: e22725.
Zenkert C, Takahashi T, Diesner MO, Özbek S
(See online at https://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0022725) - Neurotoxin localization to ectodermal gland cells uncovers an alternative mechanism of venom delivery in sea anemones. Proc Biol Sci. 2012 Apr 7;279(1732):1351-8
Moran Y, Genikhovich G, Gordon D, Wienkoop S, Zenkert C, Özbek S, Technau U, Gurevitz M
(See online at https://doi.org/10.1098/rspb.2011.1731) - Proteom of Hydra nematocyst. J Biol Chem. 2012 Mar 23;287(13):9672-81
Balasubramanian PG, Beckmann A, Warnken U, Schnölzer M, Schüler A, Bornberg-Bauer E, Holstein TW, Özbek S
- The nematocyst: a molecular map of the cnidarian stinging organelle. International Journal of Developmental Biology, Vol. 56. 2012, Nos. 6-8, pp 577-582.
Beckmann A, Özbek S
(See online at https://doi.org/10.1387/ijdb.113472ab) - A fast recoiling silk-like elastomer facilitates nanosecond nematocyst discharge. BMC Biology, Vol. 13. 2015: 3.
Beckmann A., Xiao S., Müller J.P., Mercadante D., Nüchter T., Kröger N., Langhojer F., Petrich W., Holstein T.W., Benoit M., Gräter F., Özbek S.
(See online at https://doi.org/10.1186/s12915-014-0113-1)
